(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの被検ガス中のガス成分またはガス成分濃度を選択的に検出するための装置であって、
当該装置は、フォトニクス結晶（１）と、複数の柱（２）の少なくとも一部を加熱するための加熱装置（５）と、加熱された状態で被検ガスの作用により共振器（３）内に存在するエネルギーを出力するための少なくとも１つの検出素子（２’’）とを有しており、
前記フォトニクス結晶（１）は、前記複数の柱（２）が露出して周期的に配置された構造を有し、該柱の基本材料は少なくとも１つの金属または金属合金であり、前記柱（２）の間の中間空間を被検ガスが通過することができ、
前記フォトニクス結晶はあらかじめ規定された欠損箇所を有し、該欠損箇所により少なくとも１つの共振器（３）が形成され、該共振器の共振周波数は、検出されるべきガス成分により吸収される周波数領域にある装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記柱（２）は、長手方向に変化する直径を有する装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、
前記柱（２）は、長手方向に周期的に変化する直径を有する装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の装置において、
前記柱（２）は、長手方向長さと直径との比が１００以上である装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項に記載の装置において、
前記柱の最小直径は０．３ｍｍである装置。
【請求項６】
請求項２から５までのいずれか一項に記載の装置において、
前記柱（２）の最大直径と最小直径との比は、１：３より大きな比で周期的に変化する装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置において、
前記柱（２）は基本材料の他に少なくとも１つの別の材料からなり、前記基本材料と前記別の材料とはあらかじめ規定された構造を有する、装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置において、
前記柱（２）は基本材料の他に少なくとも１つの別の材料からなり、前記基本材料と前記別の材料とはあらかじめ規定された構造を有し、第２の材料として金属および／または金属合金および／またはプラスチックおよび／または酸化物および／または窒化物が用いられる装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置において、
酸化物は、熱酸化物である装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか一項に記載の装置において、
前記少なくとも１つの検出素子は、前記フォトニクス結晶の少なくとも１つの加熱されない柱（２’’）により形成される装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置において、
検出素子として用いられ、加熱されない前記少なくとも１つの柱（２’’）は、前記共振器（３）の縁部領域に配置されている装置。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の装置において、
前記少なくとも１つの検出素子は、前記フォトニクス結晶（１）の少なくとも２つの加熱されない柱（２’’）により形成される装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置において、
前記少なくとも２つの加熱されない柱（２’’）は、測定ループに電気的に接続されている装置。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか一項に記載の装置において、
前記フォトニクス結晶（１）は、あらかじめ規定された欠損箇所を有し、該欠損箇所により少なくとも１つの基準共振器が形成され、該基準共振器の共振周波数は、被検ガスにより吸収されない周波数領域にある装置。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか一項に記載の装置において、
前記共振器（３）の共振周波数は、前記複数の柱（２）の直径と互いの間隔との比によって調整される装置。
【請求項１６】
１つの被検ガス中のガス成分またはガス成分濃度を選択的に検出するための請求項１から１５までのいずれか一項に記載の装置の駆動方法であって、
前記装置を被検ガスに曝し、
前記フォトニクス結晶（１）の前記複数の柱（２）の少なくとも一部を加熱し、
前記共振器（３）内に存在するエネルギーを前記検出素子を介して出力し、
ガス成分および／またはガス成分濃度を、出力されたエネルギーに依存して検出する、方法。
【請求項１７】
１つの被検ガス中の少なくとも２つのガス成分または少なくとも２つのガス成分濃度を選択的に検出するためのシステムであって、
フォトニクス結晶（２０）と、複数の柱の少なくとも一部を加熱するための加熱装置と、加熱された状態で被検ガスの作用により共振器（２２）内に存在するエネルギーを各共振器（２２）ごとに出力するための少なくとも１つの検出素子（２１’’）とを有し、
前記フォトニクス結晶（１）は、前記複数の柱（２）が露出して周期的に配置された構造を有し、該柱の基本材料は少なくとも１つの金属または金属合金であり、前記各柱（２）の間の中間空間を被検ガスが通過することができ、
前記フォトニクス結晶（１）はあらかじめ規定された欠損箇所を有し、該欠損箇所により少なくとも２つの共振器（２２）が形成され、当該共振器の共振周波数は、検出されるべきガス成分によって吸収される周波数領域にそれぞれあるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検ガス中のガス成分またはガス成分濃度を選択的に検出するための装置、この種の装置の駆動方法、および被検ガス中の少なくとも２つのガス成分または少なくとも２つのガス成分濃度を選択的に検出するためのシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
とりわけ閉鎖空間内では、環境中のガス検出が重要な意味を持つ。例えば二酸化炭素、一酸化炭素、メタンまたは水蒸気のようなガス成分の濃度が既知であれば、早期に危険性について警告し、そこから例えば部屋を換気するとの結論を導くことができる。この種のコンセプトは将来の建造物設備に対してますます重要となる。なぜならこのことは高いエネルギー節約潜在力を秘めており、快適で資源を節約する住居および労働を可能にするからである。
【０００３】
分析すべきガス中のガス成分またはガス成分濃度を選択的に所期のように検出するために、１つまたは複数のガスの濃度を検出することのできるセンサ素子（以下ではガスセンサと称する）が使用される。このようなガスセンサでは、ガスの他にエネルギー消費も重要である。なぜならそのようなセンサ素子はエネルギー自立的にも頻繁に駆動されるべきだからである。すなわちセンサ素子のエネルギーは運動エネルギー、環境の熱および／または風エネルギーから取り出すべきである。
【０００４】
ガスセンサに対しては多数の測定原理が公知であり、例えば抵抗測定、容量測定、熱測定、電流測定、重量測定、生化学的測定、または光学的測定が公知である。ここで光学的ガスセンサは吸収測定の原理に基づくものである。すなわちガスは、特別の周波数領域にある赤外線領域において、または特別の波長において光を吸収するという事実に基づくものである。特定の波長を備える光源の光を被検区間を通して送出することによりこの特性を使用できる。ここでは吸収による光の弱まりが引き続きセンサを介して、例えば光度測定または熱起電力で評価される。横効果を最小にするために、基準キュベットの形態の第２の基準区間がしばしば使用される。この基準区間では検知すべきガス成分の吸収は期待されない。
【０００５】
しかしこの種のガスセンサの欠点は、相当の検知感度を実現するためには非常に大きな空間的広がり（数ｃｍから１０ｃｍ）が必要なことである。
【０００６】
光学的吸収によるガス検出の択一的形態は、 フォトニクス結晶の使用により可能となる。フォトニクス結晶は周期的に構造化された誘電材料であり、半導体結晶の光学的同等物であり、したがって集積フォトニクス回路の製造が可能である。フォトニクス結晶はその次元数に応じて分類することができる。例えば１次元（１Ｄ）、２次元（２Ｄ）および３次元（３Ｄ）フォトニクス結晶を、周期的屈折率を有する空間方向の数に応じて区別する。従来のフォトニクス結晶は、構造化された半導体、ガラスまたはポリマーからなる。  特許文献１から、液体の組成を、赤外線スペクトル領域にある熱的光源によって質的および／または量的に分析する装置が公知である。この光源はフォトニクス結晶を有し、フォトニクス結晶の部分領域に局所的温度変化を形成することにより光線を発生する。このためにフォトニクス結晶の細孔に磁気材料および／または導電材料が収容されるか、または細孔が磁気材料および／または導電材料により被覆される。局所的温度変化は、フォトニクス結晶の部分領域を誘導的および／または抵抗的に加熱することによって形成される。ここでフォトニクス結晶は、光源から放射される光線が規定の狭い波長領域でだけ伝播されるように構成されている。ガスを検出するために光源の加熱電力を制御および／または測定するための装置が設けられている。ここで光源温度は加熱電力が一定の場合に測定可能であるか、または光源は一定の光源温度に制御され、そのために必要な加熱電力を決定することができる。
【０００７】
フォトニクス結晶の基本材料としてケイ素が用いられる。しかしケイ素は非常に劣悪な反射係数を有しており、このことは共振器の品質を非常に制限する。これにより達成可能な検出結果は、常に満足できるものではない。さらにこの細孔に磁気材料および／または導電材料を充填または被覆することは、ガスセンサの製造時の付加的な作業ステップであり、このことは付加的な人件費およびコストと結びついている。細孔に充填することにより、結晶構造はその端面でしか被検ガスと交互作用できず、このことはガスセンサの感度を強く制限する。この欠点は、多孔を被覆することにより迂回することができる。しかし被覆することの欠点は、このため成長の止まったケイ素柱の直径と間隔が、方法技術的理由から所定の最小値を下回ってはならないことである。そのためガスセンサの小型化には大きな制限がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ドイツ特許願第１０２００５００８０７７号
【特許文献２】ドイツ特許願１０２０１００２０７８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、被検ガス中のガス成分またはガス成分濃度を選択的に検出するための装置において、この装置が簡単かつ安価に製造可能であり、必要スペースとエネルギーが小さく、信頼性のある検出結果が得られるように構成することである。本発明の第２の課題は、本発明の装置に対して簡単で信頼性のある駆動方法を提供することである。さらに本発明により、スペースと必要エネルギーが小さく、かつ被検ガス中の少なくとも２つのガス成分または少なくとも２つのガス成分の濃度を簡単かつ信頼性持って検出できるシステムが提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は、被検ガス中のガス成分またはガス成分濃度を選択的に検出する装置によって解決される。この装置はフォトニクス結晶を備え、このフォトニクス結晶は露出された柱が周期的に配置された構造を有し、この構造の基本材料は少なくとも金属または金属合金であり、前記柱の間の中空空間を被検ガスが通過することができる。ここでフォトニクス結晶はあらかじめ規定された欠損箇所を有し、この欠損箇所は例えば点欠陥、抜き取られた個々の素子、ラインまたは面の形、比較的に小さなまたは大きな個々の素子の形、または壁に結合した柱の形を有し、これらは少なくとも共振器として構成されている。この共振器の共振周波数は、被検ガス成分により吸収される周波数領域にある。少なくとも１つの柱の一部を加熱するために加熱装置が設けられており、加熱された状態で被検ガスの作用により共振器内に存在するエネルギーを出力するために少なくとも１つの検出素子が使用される。
【００１１】
この種の装置のための本発明の駆動方法によれば、当該装置が被検ガスに曝され、フォトニクス結晶の柱の少なくとも一部が加熱され、この柱は共振器内に存在するエネルギーを検出素子により出力し、ガス成分の存在および／またはその濃度が出力されたエネルギーに依存して検出される。
【００１２】
本発明は、被検ガス成分と交互作用する開放共振器の原理を利用する。基本思想は、共振器特性が被検ガス成分によって変化するので、この変化を測定することである。ガス成分が存在しないか、または非常わずかな濃度でしか存在しなければ、共振器のガス区間でわずかな吸収しか生ぜず、共振器は非常に高いビームエネルギー密度（障害を受けない共振器）を含む。開放共振器に作用する被検ガスが検出すべきガス成分を高い濃度で含んでいれば、共振器中のビーム吸収がエネルギー密度の低減を引き起こす（障害された／影響を受けた共振器）。したがって共振器のエネルギー密度の測定を介してガス成分の濃度を推定することができる。しかし信頼性のある検出結果を得るためには、共振器が周波数選択性に優れて動作し、高いＱを有することが必要である。このことは本発明によれば、フォトニクス結晶の柱構造の基本材料として少なくとも１つの金属または金属合金が使用され、柱の間の中間空間を被検ガスが通過することによって達成される。金属または金属合金には、例えばケイ素に対してこれが格段に良好な反射係数を有するという利点があり、したがって格段にＱの高い共振器を構成することができる。露出された柱を備えるこの種のフォトニクス結晶は、その基本材料が金属または金属合金であり、例えば先行出願である特許文献２に記載されている方法によって作製することができる。この刊行物は、開示の目的で本願に完全に取り入れられる。
【００１３】
共振器中で検出すべき波長はｍｍ領域にのみ存在するから、共振器および本発明の装置の空間的寸法を非常に小さく（１ｍｍ３の領域）構成することができる。本発明の装置の必要エネルギーは非常に小さい。なぜならフォトニクス結晶の熱によって形成された熱的ビームの一部分だけが光波の形で共振器内を伝播することができるからである。
【００１４】
変化する直径、とりわけ周期的に変化する直径を有する細孔が形成されると（このことは特許文献２で使用された光電気化学的エッチング法により行われる）、最終的に柱形状の構造が発生し、この構造では個々の柱が変化する柱直径を有する。この種の構造は、材料選択および直径と間隔の寸法設定が適切であれば、３次元フォトニクス結晶として使用することができる。しかし本発明は、均一な直径を有する柱により実現可能な２次元フォトニクス結晶によっても使用可能である。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、柱は１００より大きい長さ対直径比を有し、最小の柱直径は０．３μｍであり、および／または１：３よりも大きな比で周期的に変化する柱直径を有する。すなわち柱は、この柱の最小直径の３倍以上大きな最大直径を有する。フォトニクス結晶の光学的特性は、柱が基本材料の他に少なくとも１つの別の材料からなることにより所期のように調整することができる。ここで基本材料と別の材料は、あらかじめ規定された構造を有し、別の材料としてはとりわけ金属および／または金属合金および／またはプラスチックおよび／または酸化物、とりわけ熱酸化物および／または窒化物が用いられる。
【００１６】
共振器中のビームまたは外部の影響によるその変化を検出するためには、検出素子を共振器に取り込む種々の方法が適する。ここで重要なのは、共振器が検出素子の取り込みによって過度に減衰されないことである。これは内部の増強を破壊しないためである。非常に簡単に実現可能な本発明の実施形態では、少なくとも１つの検出素子がフォトニクス結晶の少なくとも１つの加熱されない柱によって形成される。なぜならこれにより幾何的な共振器構造がわずかしか障害を受けないからである。
【００１７】
共振器内に存在するエネルギーをできるだけ効率的に出力することができるようにするため、検出素子として用いられる少なくとも１つの加熱されない柱を共振器の縁部領域に配置することができる。
【００１８】
有利には少なくとも１つの検出素子は、フォトニクス結晶の少なくとも２つの加熱されない中立の柱によって形成される。この場合、少なくとも２つの加熱されない柱は測定ループに電気的に接続することができる。この測定ループにある柱の内部の材料特性の温度依存性を利用すれば、エネルギー伝達を推測することができる。検出素子の中立の柱は熱的にアクティブに加熱されないから、共振器から検出素子へのエネルギー伝達を用いてガス濃度について推測することができる。ここで高い温度は被検ガス成分の濃度が低いことを指示し、逆も当てはまる。
【００１９】
温度の影響を決定するために種々の測定原理が考えられる。例えば抵抗測定を使用することができ、ここでは閉導体ループの特殊な抵抗の温度依存性が利用される。検出素子の少なくとも２つの柱は異なる材料から作製されていても良い。この場合、択一的に熱電圧測定を行うこともできる。この場合、測定ループの開放端部と閉鎖端部との間に温度差があるときに生じる熱電能が測定される。
【００２０】
本発明の別の実施形態によれば、フォトニクス結晶はあらかじめ規定された別の欠損箇所を有する。この欠損箇所によって少なくとも１つの基準共振器が形成されており、その共振周波数は検出すべきガス成分により吸収されない周波数領域にある。この欠損箇所には基準チャネルを形成することができ、基準チャネルは生じ得る横効果を最小にする。
【００２１】
フォトニクス結晶の多数の特性は、簡単な幾何関係によってスケーリングされる。したがって本発明の有利な実施形態によれば、共振器の共振周波数が柱の直径とそれら柱の間隔との比によって互いに調整される。フォトニクス結晶の個々の構造素子はフォトリソグラフによって非常に正確に規定することができるから、これは共振器の寸法を被検ガス成分に整合させるために非常に適した方法である。
【００２２】
本発明の基礎となる第３の課題は、被検ガス中の少なくとも２つのガス成分または少なくとも２つのガス成分濃度をフォトニクス結晶により選択的に検出するためのシステムによって解決される。フォトニクス結晶は２次元または３次元に構成することができ、露出された柱が周期的に配置された構造を有し、その基本材料は少なくとも１つの金属または金属合金である。柱の間の中間空間を被検ガスが通ることができる。さらにフォトニクス結晶はあらかじめ規定された欠損箇所を有する。この欠損箇所により少なくとも２つ共振器が形成され、それらの共振周波数は被検ガス成分によって吸収されない周波数領域にそれぞれある。加熱装置によって柱の少なくとも一部を加熱することができる。さらに少なくとも１つの検出素子が各共振器に対して設けられており、この共振器により、加熱された状態で被検ガスの作用によりそれぞれ共振器内に存在するエネルギーを出力することができる。
【００２３】
したがって本発明により、異なる共振周波数を備える多数の共振器が１つのフィールドに並置され、これにより全赤外線スペクトルの任意の部分をカバーすることができる。このようにして本発明のシステムにより任意のガス成分を検出することができる。本発明のさらなる特徴および利点は、図面に基づく以下の実施例の説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の装置の概略的斜視図である。
【図２】図１の装置の概略的平面図である。
【図３】図１の装置の概略的断面図である。
【図４】「放射性」フォトニクス結晶の概略図である。
【図５】図４の「放射性」フォトニクス結晶の場強度分布を示す線図である。
【図６】周期的に変化する直径を備える多孔を基板に形成した後、本発明により３次元フォトニクス結晶を製造する際の中間製品の概略的断面図である。
【図７】多孔を充填した後、本発明により３次元フォトニクス結晶を製造する際の中間製品の概略的断面図である。
【図８】基板材料を除去した後の３次元フォトニクス結晶の概略的断面図である。
【図９】図８の３次元フォトニクス結晶の概略的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図中、同じ素子または機能の同じ素子にはそれぞれおなじ参照符号が付してある。
【００２６】
図１から３は、２次元フォトニクス結晶１を有する本発明の装置の実施形態を概略的に示し、このフォトニクス結晶は露出された柱２が周期的に配置された構造を有し、柱は支持体の上、例えばケイ素支持体の上に配置されている。柱の基本材料は金属または金属合金である。この種のフォトニクス結晶１は、例えば特許文献２に記載された製造方法によって製造することができる。中央領域にフォトニクス結晶１は、柱２が欠けた形としてあらかじめ規定された欠損箇所を有する。この欠損箇所により共振器４が形成される。周波数の異なるエネルギースペクトルが共振器４にもたらされると、共振器４の幾何形状および柱２の材料に応じて、少数のモードが励振され、これは共振器４内での減衰に応じて発振（増大）する。このようにして幾何形状に対応して共振器内に存在する波長（共振周波数）の電磁ビームが倍増される。電磁ビームの伝播方向で共振器４を制限するフォトニクス結晶の柱２’は、ここでは反射器として用いられる。この場合、柱２’の材料が共振器４のＱに大きく影響する。高い反射係数を有する金属または金属合金により、共振器４の高いＱが保証される。
【００２７】
柱２’は基本材料の他に少なくとも１つの別の材料からなることができる。ここで基本材料とこの別の材料とはあらかじめ規定された構造を有する。第２の材料としてはとりわけ、金属および／または金属合金および／またはプラスチックおよび／または酸化物、とりわけ熱酸化物、および／または窒化物が用いられる。最終的に製造すべきフォトニクス結晶１と共振器４の所望の光学的特性は、使用される具体的な充填材料および柱２の具体的構造によって決められる。したがって共振器４の幾何形状と共振周波数とは、実質的に柱２の直径と相互の間隔によって決定される。柱の材料、直径および間隔は、共振器の共振周波数が検出すべきガス成分によって吸収される周波数領域となるように互いに整合される。
【００２８】
波長の異なる電磁ビームを共振器４にもたらすために、柱２の少なくとも一部が加熱装置５によって加熱される。これをフォトニクス結晶１の「熱的ポンピング」とも称する。ここで加熱装置５は最も簡単な場合、図示しない電流源を含む。この電流源は、電気接点６と導体構造７（図３参照）を介して、電流をフォトニクス結晶１の加熱すべき柱２に導く。このようにして柱を加熱する抵抗加熱が実現される。しかし同じように例えば誘導電流に基づく他の加熱装置も考えられる。加熱することにより柱２は周囲よりも高い温度になる。したがって各柱はその温度により一次で、プランクの放射法則にしたがいエネルギーを放射する。これによりフォトニクス結晶１の等方領域内には、すなわち共振器４の外には、均一の電界強度分布（１００％、例えば１Ｖ／ｍ）が存在し、この電界強度はフォトニクス結晶１の外では形状と間隔に依存して減衰する。共振器４内には非常に強い電界上昇が形成され、幾何形状に依存してモードが発生する。
【００２９】
図４は、柱２の加熱によって実現された「放射性」フォトニクス結晶１を示す。図５には例として、共振器４に沿った電界強度Ｅの分布が示されている。この分布は均一のフォトニクス結晶１の場合よりも格段に大きく、実質的に共振器４の長さに、すなわち図示の例では、列中で欠けている柱の数に依存する。ここではすでに個々の柱（４から１０）が欠けているので、共振器４の外の領域の電界強度よりも数百倍から数千倍も高い電界強度が共振器４に生じる。
【００３０】
形状に応じて共振する波長の電磁ビームが共振器４内で倍増される。他の波長はフォトニクス結晶１内で抑圧されるから、共振器４は非常に狭い波長領域でだけ振動する。図６は例として、共振器４内の電界強度（Ｅｚ成分）の相対的強度分布を波長ｌの関数として示す。ここでは主最大値（共振ピーク）が約１．３８ｍｍであり、副最大値よりも格段に大きな振幅を有する。ここには共振器４が実質的に、共振周波数の周波数でだけ振動することが示されている。
【００３１】
共振器４は、共振器４の縁部を形成する各柱におけるビームの吸収によってのみ減衰される。しかしこのエネルギーは実際には消失せず、柱の加熱に間接的に用いられる。
【００３２】
共振器４内のビームまたは外部の影響によるビームの変化を検出するためには、検出素子を共振器４に取り込むための種々の方法が適する。ここで重要なのは、共振器４の減衰が検出素子の取り込みの際に過度に大きくならないようにすることである。これは内部の増強を破壊しないためである。好ましくは１つまたは複数の柱が受信器として使用される。なぜならこれにより、共振器構造の幾何形状がほとんど妨げられないからである。
【００３３】
加熱される柱、すなわち放射性の柱の箇所で、共振器４内に存在する電界強度のための検出器として柱２’’が使用されると、共振器４はその長さに依存して減衰する。図７には、この種の減衰された共振器４の電界強度分布が示されている。図８には例として、所属の電界強度分布が共振器４に沿って示されている。減衰しているにもかかわらず、電界強度の倍増は係数１００以上であることが分かる。
【００３４】
検出素子として作用する中立の柱２’’に入力される電力を電界強度のスペクトル密度によって決定すると、検出素子に伝達される電力について、電界強度の強度分布に対するのと同様の波長依存性が生じる。したがって検出素子に伝達される電力に対しては共振の場合に非常に強いピークが生じる。
【００３５】
共振器の幾何形状を変化させずに、フォトニクス結晶１の個々の柱２’’を検出素子として使用すると、柱２’’への電力伝達を介して共振器４に存在するエネルギー密度が特徴付けられる。できるだけ良好な電力伝達を保証するために、検出素子として用いられる柱２’’を共振器の縁部領域に配置するのが有利である。
【００３６】
共振器４内に保存されたエネルギーを電気信号として検出するために、例えば２つの中立の柱２’’を開放端部において測定ループへの線路接続８によって接続することができる（図１と２参照）。この測定ループ内の加熱されない柱２’’の内部材料特性の温度依存性を利用すると、エネルギー伝達を推測することができる。中立の検出素子はアクティブには加熱されないから、共振器４から中立の柱２’’へのエネルギー伝達を使用して、検出すべきガス成分の濃度について推定することができる。ここで高温は、共振器４内でわずかなビームしか吸収されなかった、すなわち検出すべきガス成分はわずかな濃度でしか存在していないことを指示するという基本則が当てはまり、逆も真である。温度の影響を決定するために種々の測定原理が考えられる。例えば閉測定ループの特別な抵抗の温度依存性を抵抗測定に使用することができる。測定ループを形成する中立の柱２’’が異なる材料から作製されている場合、択一的に、測定ループの開放端部と閉鎖端部との間に温度差があるときに形成される熱電能または熱電圧を測定することもできる。ここで評価は、評価回路９を用いて行うことができる。この評価回路はアプリケーション専用集積回路（ＡＳＩＣ）であり電気接点１０を介して測定ループと接続されている。ＡＳＩＣはもちろん加熱装置５の制御にも使用することができる。
【００３７】
検出素子として用いられる中立の柱２’’が加熱されないようにするため、図３に示した抵抗加熱では熱的ブリッジ１１が設けられており、このブリッジでは支持体３の材料が除去されている。しかし本発明の適用性に対しては、どのように中立の柱２’’がアクティブに加熱されないようにするかは重要でない。
【００３８】
本発明の共振器４を、検出すべきガス成分によるガス吸収が生じる波長で振動させると、本発明の装置により特別のガスの存在を選択的に検出することができ、対応する較正の後、その濃度も検出される。
【００３９】
ここで有利には、中実の基本材料からなるフォトニクス結晶の柱２は金属または金属合金の形で設けられている。なぜならこれらの材料は高い屈折度を有し、電磁波を共振器４に案内する作用を最適に支援するからである。柱２の間にある中間空間を被検ガスが通過することができ、これにより共振器４は比較的大きな容量で被検ガスに曝される。このようにして共振器４の減衰は、特定の共振波長におけるガス吸収に対し非常に鋭敏である。共振波長は非常に鋭敏なピークを有するから選択性が高く、高い信号品質が保証される。
【００４０】
被検ガスの検出は非常に簡単に行われる。装置が被検ガスに曝され、フォトニクス結晶１の柱２の少なくとも一部が加熱された後、共振器４内に存在するエネルギーが検出素子を介して出力される。ここでは、被検ガス成分の濃度が高ければ高いほど、ビームの吸収が強く、共振器４内の電界強度が小さく、検出素子に伝達されるエネルギーが小さいことが当てはまる。この場合、ガス成分の存在および／またはガス成分濃度は出力されるエネルギーに依存して検知される。
【００４１】
本発明の装置を２次元フォトニクス結晶を使用して説明したが、柱を備える３次元フォトニクス結晶を使用しても同様に実現することができる。この場合、柱は長手方向に変化する直径、とりわけ周期的に変化する直径を有する。
【００４２】
フォトニクス結晶の柱の直径と間隔との比を変化することにより、共振波長または共振周波数を規定どおりに定めることができる。このようにしてそれぞれの被検ガスに装置を整合することができる。これは、共振周波数の異なる複数のこの種の共振器を１つのフィールドにある共通の支持体上に載置し、これにより全スペクトルの任意の部分領域をカバーできる可能性を提供する。
【００４３】
図９は、１つの被検ガス中の複数のガス成分または複数のガス成分濃度を選択的に検出するためのシステムを概略的に示す。このシステムは本発明の装置と同様に、露出した柱２１が周期的に配置された構造を備えるフォトニクス結晶２０を含み、柱の基本材料は少なくとも１つの金属または金属合金である。そして柱の間の中間空間を被検ガスが通過することができる。柱が欠けていることであらかじめ規定された欠損箇所により、複数の平行の共振器２２を形成する個々の共振器２２の共振周波数は、それぞれ検出すべきガス成分により吸収される周波数領域にそれぞれある。ここでも各共振器２２には、加熱されない２つの中立の柱２２’’の形で検出素子が割り当てられており、これらの柱は線路接続２３を介して測定ループに接続されている。検出素子を介して各共振器２２ごとに、過熱された状態で被検ガスの作用により共振器２２内に存在するエネルギーが出力される。もちろん本発明の装置と同様に、図８には図示されていない加熱装置が柱の少なくとも一部を加熱するために設けられている。したがって最終的には本発明の装置が複数、１つの共通の支持体２４の上に平行に配置されている。
【００４４】
本発明では、共振器の対応する幾何的構成により基準チャネルを形成することもできる。この基準チャネルは好ましくは、ガス吸収が行われないか、またはわずかしか行われない周波数を有しており、これにより横効果を補償することができる。
【図１】
0005627787.tif 000002
【図２】
0005627787.tif 000003
【図３】
0005627787.tif 000004
【図４】
0005627787.tif 000005
【図５】
0005627787.tif 000006
【図６】
0005627787.tif 000007
【図７】
0005627787.tif 000008
【図８】
0005627787.tif 000009
【図９】
0005627787.tif 000010